前言
在前一篇文章我以面試問答的形式與大家一同學習了ArrayList，有興趣但是沒閱讀過的同學可以翻看我的文章記錄，有了ArrayList，自然少不了LinkedList了。
PS：由于我的居住地珠海前兩天遭受了臺風天鴿的影響，過了2天沒水沒電沒網沒信號的原始生活，所以此文久久未能完成并發布，請大家體諒。
下面我就以面試問答的形式學習我們的常用的裝載容器——LinkedList（源碼分析基于JDK8）
問答內容
1.
問：請簡單介紹一下您所了解的LinkedList，它可以用來做什么，怎么使用？
答：
- LinkedList底層是雙向鏈表，同時實現了List接口和Deque接口，所以它既可以看作是一個順序容器，也可以看作是一個隊列(Queue)，同時也可以看作是一個棧(Stack)，但如果想使用棧或隊列等數據結構的話，推薦使用ArrayDeque，它作為棧或隊列會比LinkedList有更好的使用性能。
示例代碼：
// 創建一個LinkedList，鏈表的每個節點的內存空間都是實時分配的，所以無須事先指定容器大小
LinkedList<String> linkedList = new LinkedList<String>();
// 往容器里面添加元素
linkedList.add("張三");
linkedList.add("李四");
// 在張三與李四之間插入一個王五
linkedList.add(1, "王五");
// 在頭部插入一個小三
linkedList.addFirst("小三");
// 獲取index下標為2的元素 王五
String element = linkedList.get(2);
// 修改index下標為2的元素 王五 為小四
linkedList.set(2, "小四");
// 刪除index下標為1的元素 張三
String removeElement = linkedList.remove(1);
// 刪除第一個元素
String removeFirstElement = linkedList.removeFirst();
// 刪除最后一個元素
String removeLastElement = linkedList.removeLast();
- LinkedList底層實現是雙向鏈表，核心組成元素有：
int size = 0用于記錄鏈表長度；Node<E> first;用于記錄頭（第一個）結點（儲存的是頭結點的引用）；Node<E> last;用于記錄尾（最后一個）結點（儲存的是尾結點的引用）。
示例代碼：
public class LinkedList<E>
extends AbstractSequentialList<E>
implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
{
// 記錄鏈表長度
transient int size = 0;
/**
* Pointer to first node. 指向第一個結點
* Invariant: (first == null && last == null) ||
* (first.prev == null && first.item != null)
*/
transient Node<E> first;
/**
* Pointer to last node. 指向最后一個結點
* Invariant: (first == null && last == null) ||
* (last.next == null && last.item != null)
*/
transient Node<E> last;
}
- 雙向鏈表的核心組成元素還有一個最重要的
Node<E>，Node<E>包含：E item;用于存儲元素數據，Node<E> next;指向當前元素的后繼結點，Node<E> prev;指向當前元素的前驅結點。
示例代碼：
/**
* 定義LinkedList底層的結點實現
*/
private static class Node<E> {
E item; // 存儲元素數據
Node<E> next;// 指向當前元素的后繼結點
Node<E> prev;// 指向當前元素的前驅結點
/**
* Node結點構造方法
*/
Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
this.item = element;// 存儲的元素
this.next = next;// 后繼結點
this.prev = prev;// 前驅結點
}
}
雙向鏈表底層實現，圖片來自網絡
上圖中的head即Node<E> first; tail即Node<E> last;
2.
問：請分別分析一下它是如何獲取元素，修改元素，新增元素與刪除元素，并分析這些操作對應的時間復雜度。
答：
- 獲取元素：LinkedList提供了三種獲取元素的方法，分別是：
獲取第一個元素
getFirst()，獲取第一個元素，直接返回Node<E> first指向的結點即可，所以時間復雜度為O(1)。獲取最后一個元素
getLast()，獲取最后一個元素，直接返回Node<E> last指向的結點即可，所以時間復雜度也為O(1)。獲取指定索引index位置的元素
get(int index)，由于Node<E>結點在內存中存儲的空間不是連續存儲的，所以查找某一位置的結點，只能通過遍歷鏈表的方式查找結點，因此LinkedList會先通過判斷index < (size >> 1)，size>>1即為size/2當前鏈表長度的一半，判斷index的位置是在鏈表的前半部分還是后半部分。決定是從頭部遍歷查找數據還是從尾部遍歷查找數據。最壞情況下，獲取中間元素，則需要遍歷n/2次才能獲取到對應元素，所以此方法的時間復雜度為O(n)。
- 綜上所述，LinkedList獲取元素的時間復雜度為O(n)。
示例代碼：
/**
* 返回列表中指定位置的元素
*
* @param index 指定index位置
* @return 返回指定位置的元素
* @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
*/
public E get(int index) {
// 檢查index下標是否合法[0,size)
checkElementIndex(index);
// 遍歷列表獲取對應index位置的元素
return node(index).item;
}
/**
* 檢查下標是否合法
*/
private void checkElementIndex(int index) {
if (!isElementIndex(index))
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
private boolean isElementIndex(int index) {
return index >= 0 && index < size;
}
/**
* 返回指定位置的結點元素（重點）
*/
Node<E> node(int index) {
// assert isElementIndex(index);
// 判斷index位置是在鏈表的前半部分還是后半部分
if (index < (size >> 1)) {
// 從頭結點開始，從前往后遍歷找到對應位置的結點元素
Node<E> x = first;
for (int i = 0; i < index; i++)
x = x.next;
return x;
} else {
// 從尾結點開始，從后往前遍歷找到對應位置的結點元素
Node<E> x = last;
for (int i = size - 1; i > index; i--)
x = x.prev;
return x;
}
}
- 修改元素：LinkedList提供了一種修改元素數據的方法
set(int index, E element)，修改元素數據的步驟是：1.檢查index索引是否合法[0,size)。2.折半查詢獲取對應索引元素。3.將新元素賦值，返回舊元素。由獲取元素的分析可知，折半查詢的時間復雜度為O(n)，故修改元素數據的時間復雜度為O(n)。
示例代碼：
/**
* 修改指定位置結點的存儲數據
*
* @param index 指定位置
* @param element 修改的存儲數據
* @return 返回未修改前的存儲數據
* @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
*/
public E set(int index, E element) {
// 檢查index下標是否合法[0,size)
checkElementIndex(index);
// 折半查詢獲取對應索引元素
Node<E> x = node(index);
// 將新元素賦值，返回舊元素
E oldVal = x.item;
x.item = element;
return oldVal;
}
- 新增元素：LinkedList提供了四種新增元素的方法，分別是：
將指定元素插入到鏈表的第一個位置中
addFirst(E e)，只需將頭結點first指向新元素結點，將原第一結點的前驅指針指向新元素結點即可。不需要移動原數據存儲位置，只需交換一下相關結點的指針域信息即可。所以時間復雜度為O(1)。將指定元素插入到鏈表的最后一個位置中
addLast(E e)，只需將尾結點last指向新元素結點，將原最后一個結點的后繼指針指向新元素結點即可。不需要移動原數據存儲位置，只需交換一下相關結點的指針域信息即可。所以時間復雜度也為O(1)。添加元素方法
add(E e)等價于addLast(E e)。將指定元素插入到鏈表的指定位置index中
add(int index, E element)，需要先根據位置index調用node(index)遍歷鏈表獲取該位置的原結點，然后將新結點插入至原該位置結點的前面，不需要移動原數據存儲位置，只需交換一下相關結點的指針域信息即可。所以時間復雜度也為O(1)。
- 綜上所述，LinkedList新增元素的時間復雜度為O(1)，單純論插入新元素，操作是非常高效的，特別是插入至頭部或插入到尾部。但如果是通過索引index的方式插入，插入的位置越靠近鏈表中間所費時間越長，因為需要對鏈表進行遍歷查找。
添加元素結點示意圖，圖片來自《大話數據結構》
示例代碼：
/**
* 將指定元素插入到鏈表的第一個位置中
*
* @param e 要插入的元素
*/
public void addFirst(E e) {
linkFirst(e);
}
/**
* 將元素e作為第一個元素
*/
private void linkFirst(E e) {
// 獲取原頭結點
final Node<E> f = first;
// 初始化新元素結點
final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
// 頭指針指向新元素結點
first = newNode;
// 如果是第一個元素（鏈表為空）
if (f == null)
// 將尾指針也指向新元素結點
last = newNode;
else // 鏈表不會空
// 原頭結點的前驅指針指向新結點
f.prev = newNode;
// 記錄鏈表長度的size + 1
size++;
modCount++;
}
/**
* 將指定元素插入到鏈表的最后一個位置中
*
* <p>此方法等同與add(E e)方法 {@link #add}.
*
* @param e 要插入的元素
*/
public void addLast(E e) {
linkLast(e);
}
/**
* 將指定元素插入到鏈表的最后一個位置中
*
* <p>此方法等同與addLast(E e)方法 {@link #addLast}.
*
* @param e 要插入的元素
* @return {@code true} (as specified by {@link Collection#add})
*/
public boolean add(E e) {
linkLast(e);
return true;
}
/**
* 將元素e作為最后一個元素
*/
void linkLast(E e) {
// 獲取原尾結點
final Node<E> l = last;
// 初始化新元素結點
final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
// 位指針指向新元素結點
last = newNode;
// 如果是第一個元素（鏈表為空）
if (l == null)
// 將頭指針也指向新元素結點
first = newNode;
else // 鏈表不會空
// 原尾結點的后繼指針指向新結點
l.next = newNode;
// 記錄鏈表長度的size + 1
size++;
modCount++;
}
/**
* 將指定元素插入到鏈表的指定位置index中
*
* @param index 元素要插入的位置index
* @param element 要插入的元素
* @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
*/
public void add(int index, E element) {
// 檢查插入位置是否合法[0,size]
checkPositionIndex(index);
// 如果插入的位置和當前鏈表長度相等，則直接將元素插入至鏈表的尾部
if (index == size)
// 將元素插入至鏈表的尾部
linkLast(element);
else
//將元素插入至指定位置,node(index)先獲取占有該index位置的原結點
linkBefore(element, node(index));
}
/**
* 檢查位置是否合法
*/
private void checkPositionIndex(int index) {
if (!isPositionIndex(index))
throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
}
/**
* 檢查位置是否合法
*/
private boolean isPositionIndex(int index) {
//合法位置為[0,size]
return index >= 0 && index <= size;
}
/**
* 將新元素e插入至舊元素succ前面
*/
void linkBefore(E e, Node<E> succ) {
// assert succ != null;
// 記錄舊元素結點succ的前驅指針
final Node<E> pred = succ.prev;
// 初始化新元素結點
final Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, succ);
// 舊元素結點的前驅指針指向新元素結點(即新元素結點放至在舊元素結點的前面，取代了原本舊元素的位置)
succ.prev = newNode;
// 如果舊元素結點的前驅指針為空，則證明舊元素結點是頭結點，
// 將新元素結點插入至舊元素結點前面，所以現時新的頭結點是新元素結點
if (pred == null)
first = newNode;
else //不是插入至頭部
// 舊元素的前驅結點的后繼指針指向新元素結點
pred.next = newNode;
// 記錄鏈表長度的size + 1
size++;
modCount++;
}
- 刪除元素：LinkedList提供了四種刪除元素的方法，分別是：
刪除鏈表中的第一個元素
removeFirst()，只需將頭結點first指向刪除元素結點的后繼結點并將其前驅結點指針信息prev清空即可。不需要移動原數據存儲位置，只需操作相關結點的指針域信息即可。所以時間復雜度為O(1)。刪除鏈表中的最后一個元素
removeLast()，只需將尾結點last指向刪除元素結點的前驅結點并將其后繼結點指針信息next清空即可。不需要移動原數據存儲位置，只需操作相關結點的指針域信息即可，所以時間復雜度也為O(1)。將指定位置index的元素刪除
remove(int index)，需要先根據位置index調用node(index)遍歷鏈表獲取該位置的原結點，然后將刪除元素結點的前驅結點的next后繼結點指針域指向刪除元素結點的后繼結點node.prev.next = node.next，刪除元素結點的后繼結點的prev前驅結點指針域指向刪除元素結點的前驅結點即可node.next.prev = node.prev（此處可能有些繞，不太理解的同學自行學習一下雙向鏈表的數據結構吧），不需要移動原數據存儲位置，只需交換一下相關結點的指針域信息即可。所以時間復雜度也為O(1)。
刪除元素結點示意圖，圖片來自《大話數據結構》
- 刪除傳入的Object o指定對象，比較對象是否一致通過o.equals方法比較
remove(Object o)，和3.的思路基本差不多，關鍵是比較對象是通過o.equals方法，記住這點即可。
- 綜上所述，LinkedList刪除元素的時間復雜度為O(1)，單純論刪除元素，操作是非常高效的，特別是刪除第一個結點或刪除最后一個結點。但如果是通過索引index的方式或者object對象的方式刪除，則需要對鏈表進行遍歷查找對應index索引的對象或者利用equals方法判斷對象。
示例代碼：
/**
* 刪除鏈表中的第一個元素并返回
*
* @return 鏈表中的第一個元素
* @throws NoSuchElementException if this list is empty
*/
public E removeFirst() {
//根據頭結點獲取第一個元素結點
final Node<E> f = first;
if (f == null) // 沒有元素結點則拋出異常
throw new NoSuchElementException();
return unlinkFirst(f);
}
/**
* 移除第一個元素
*/
private E unlinkFirst(Node<E> f) {
// assert f == first && f != null;
// 記錄要移除元素結點的數據域
final E element = f.item;
// 記錄要移除元素結點的后繼結點指針
final Node<E> next = f.next;
// 清空要刪除結點的數據域和next指針域信息，以幫助垃圾回收
f.item = null;
f.next = null; // help GC
// 頭結點指向要移除元素結點的后繼結點
first = next;
// 如果要移除元素結點的后繼結點為空，則證明鏈表只有一個元素
// 所以需要將尾結點的指針信息也要清空
if (next == null)
last = null;
else
// 將新的第一個結點的前驅結點指針信息清空
next.prev = null;
// 記錄鏈表長度的size - 1
size--;
modCount++;
// 返回移除元素結點的數據域
return element;
}
/**
* 刪除鏈表中的最后一個元素并返回
*
* @return 鏈表中的最后一個元素
* @throws NoSuchElementException if this list is empty
*/
public E removeLast() {
// 根據尾結點獲取最后一個元素結點
final Node<E> l = last;
if (l == null)// 沒有元素結點則拋出異常
throw new NoSuchElementException();
return unlinkLast(l);
}
/**
* 移除最后一個元素
*/
private E unlinkLast(Node<E> l) {
// assert l == last && l != null;
// 記錄要移除元素結點的數據域
final E element = l.item;
// 記錄要移除元素結點的前驅結點指針
final Node<E> prev = l.prev;
// 清空要刪除結點的數據域和prev指針域信息，以幫助垃圾回收
l.item = null;
l.prev = null; // help GC
// 頭結點指向要移除元素結點的前驅結點
last = prev;
// 如果要移除元素結點的前驅結點為空，則證明鏈表只有一個元素
// 所以需要將頭結點的指針信息也要清空
if (prev == null)
first = null;
else
// 將新的最后一個結點的后繼結點指針信息清空
prev.next = null;
// 記錄鏈表長度的size - 1
size--;
modCount++;
// 返回移除元素結點的數據域
return element;
}
/**
* 將指定位置index的元素刪除
*
* @param index 要刪除的位置index
* @return 要刪除位置的原元素
* @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
*/
public E remove(int index) {
// 檢查index下標是否合法[0,size)
checkElementIndex(index);
// 根據index進行遍歷鏈表獲取要刪除的結點，再調用unlink方法進行刪除
return unlink(node(index));
}
/**
* 刪除傳入的Object o指定對象，比較對象是否一致通過o.equals方法比較
* @param o 要刪除的Object o指定對象
* @return {@code true} 是否存在要刪除對象o
*/
public boolean remove(Object o) {
// 如果刪除對象為null，則遍歷鏈表查找node.item數據域為null的結點并移除
if (o == null) {
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (x.item == null) {
unlink(x);
return true;
}
}
} else {
// 從頭開始遍歷鏈表，并通過equals方法逐一比較node.item是否相等
// 相等則對象一致，刪除此對象。
for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
if (o.equals(x.item)) {
unlink(x);
return true;
}
}
}
return false;
}
/**
* 移除指定結點x
*/
E unlink(Node<E> x) {
// assert x != null;
// 記錄要移除元素結點的數據域
final E element = x.item;
// 記錄要移除元素結點的后繼結點指針
final Node<E> next = x.next;
// 記錄要移除元素結點的前驅結點指針
final Node<E> prev = x.prev;
// 如果要移除元素結點的前驅結點為空，則證明要刪除結點為第一個結點
if (prev == null) {
// 頭結點指向要刪除元素結點的后繼結點
first = next;
} else {
// 要刪除元素結點的前驅結點的后繼指針指向要刪除元素結點的后繼結點
prev.next = next;
// 清空要刪除結點的前驅結點指針信息，以幫助GC
x.prev = null;
}
// 如果要移除元素結點的后繼結點為空，則證明要刪除結點為最后一個結點
if (next == null) {
// 尾結點指向要刪除元素結點的前驅結點
last = prev;
} else {
// 要刪除元素結點的后繼結點的前驅指針指向要刪除元素結點的前驅結點
next.prev = prev;
// 清空要刪除結點的后繼結點指針信息，以幫助GC
x.next = null;
}
// 清空要刪除元素的數據域，以幫助GC
x.item = null;
// 記錄鏈表長度的size - 1
size--;
modCount++;
// 返回移除元素結點的數據域
return element;
}
3.
問：那您可以比較一下ArrayList和LinkedList嗎?
答：
LinkedList內部存儲的是
Node<E>，不僅要維護數據域，還要維護prev和next，如果LinkedList中的結點特別多，則LinkedList比ArrayList更占內存。插入刪除操作效率：
- LinkedList在做插入和刪除操作時，插入或刪除頭部或尾部時是高效的，操作越靠近中間位置的元素時，需要遍歷查找，速度相對慢一些，如果在數據量較大時，每次插入或刪除時遍歷查找比較費時。所以LinkedList插入與刪除，慢在遍歷查找，快在只需要更改相關結點的引用地址。
- ArrayList在做插入和刪除操作時，插入或刪除尾部時也一樣是高效的，操作其他位置，則需要批量移動元素，所以ArrayList插入與刪除，快在遍歷查找，慢在需要批量移動元素。
- 循環遍歷效率：
- 由于ArrayList實現了
RandomAccess隨機訪問接口，所以使用for(int i = 0; i < size; i++)遍歷會比使用Iterator迭代器來遍歷快：
for (int i=0, n=list.size(); i < n; i++) {
list.get(i);
}
runs faster than this loop:
for (Iterator i=list.iterator(); i.hasNext(); ) {
i.next();
}
- 而由于LinkedList未實現
RandomAccess接口，所以推薦使用Iterator迭代器來遍歷數據。
- 因此，如果我們需要頻繁在列表的中部改變插入或刪除元素時，建議使用LinkedList，否則，建議使用ArrayList，因為ArrayList遍歷查找元素較快，并且只需存儲元素的數據域，不需要額外記錄其他數據的位置信息，可以節省內存空間。
4.
問：LinkedList是線程安全的嗎？
答：LinkedList不是線程安全的，如果多個線程同時對同一個LinkedList更改數據的話，會導致數據不一致或者數據污染。如果出現線程不安全的操作時，LinkedList會盡可能的拋出ConcurrentModificationException防止數據異常，當我們在對一個LinkedList進行遍歷時，在遍歷期間，我們是不能對LinkedList進行添加，刪除等更改數據結構的操作的，否則也會拋出ConcurrentModificationException異常，此為fail-fast（快速失敗）機制。從源碼上分析，我們在add,remove等更改LinkedList數據時，都會導致modCount的改變，當expectedModCount != modCount時，則拋出ConcurrentModificationException。如果想要線程安全，可以考慮調用Collections.synchronizedCollection(Collection<T> c)方法。
示例代碼：
private class ListItr implements ListIterator<E> {
private Node<E> lastReturned;
private Node<E> next;
private int nextIndex;
private int expectedModCount = modCount;
ListItr(int index) {
// assert isPositionIndex(index);
next = (index == size) ? null : node(index);
nextIndex = index;
}
public boolean hasNext() {
return nextIndex < size;
}
public E next() {
checkForComodification();
if (!hasNext())
throw new NoSuchElementException();
lastReturned = next;
next = next.next;
nextIndex++;
return lastReturned.item;
}
public boolean hasPrevious() {
return nextIndex > 0;
}
public E previous() {
checkForComodification();
if (!hasPrevious())
throw new NoSuchElementException();
lastReturned = next = (next == null) ? last : next.prev;
nextIndex--;
return lastReturned.item;
}
public int nextIndex() {
return nextIndex;
}
public int previousIndex() {
return nextIndex - 1;
}
public void remove() {
checkForComodification();
if (lastReturned == null)
throw new IllegalStateException();
Node<E> lastNext = lastReturned.next;
unlink(lastReturned);
if (next == lastReturned)
next = lastNext;
else
nextIndex--;
lastReturned = null;
expectedModCount++;
}
public void set(E e) {
if (lastReturned == null)
throw new IllegalStateException();
checkForComodification();
lastReturned.item = e;
}
public void add(E e) {
checkForComodification();
lastReturned = null;
if (next == null)
linkLast(e);
else
linkBefore(e, next);
nextIndex++;
expectedModCount++;
}
public void forEachRemaining(Consumer<? super E> action) {
Objects.requireNonNull(action);
while (modCount == expectedModCount && nextIndex < size) {
action.accept(next.item);
lastReturned = next;
next = next.next;
nextIndex++;
}
checkForComodification();
}
final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
總結
- LinkedList的結論已在第三個問題中展現了一部分了，所以不再重復說明了，我以面試問答的形式和大家一同學習了LinkedList，由于沒有時間畫圖，可能此次沒有ArrayList說的那么清楚，如果大家有看不懂的地方，請自行看一下關于鏈表的數據結構吧。如果此文對你有幫助，麻煩點個喜歡，謝謝各位。
